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Panoramablick in die Uhrenhalle der PTB mit den vier Caesiumuhren CS1, CS2, CSF1 und CSF2.

Zeitnormale

Arbeitsgruppe 4.41

Realisierung der SI-Sekunde

Das 1960 von den Organen der Meterkonvention eingeführte internationale Einheitensystem SI (Système International) legt die Definition der physikalischen Einheiten fest. Die Verwendung der SI-Einheiten ist mit dem "Gesetz über Einheiten im Messwesen" seit 1970 auch in Deutschland vorgeschrieben, wobei die PTB mit der Darstellung und Verbreitung der SI-Einheiten beauftragt ist. Die Sekunde ist eine der sogenannten Basiseinheiten im SI. 

Seit 1967 ist die Sekunde über eine atomphysikalische Konstante definiert. Es wurde das nicht radioaktive Isotop 133 des Elements Caesium, 133Cs, zu Grunde gelegt. Die Resonanzfrequenz zwischen ausgewählten Energiezuständen dieses Atoms wurde auf  9 192 631 770 Hz festgelegt. Die Realisierung der Sekunde geschieht mit Hilfe von Caesiumatomuhren.

Primäre Atomuhren unterscheiden sich von anderen Atomuhren dadurch, dass die frequenzbestimmenden Einflussgrößen außerordentlich genau bekannt sind. Dann kann zum einen die SI-Sekunde („Atomsekunde") mit einer kleinen Unsicherheit realisiert werden, und zum anderen diese Unsicherheit gut begründet abgeschätzt werden. Die PTB besitzt gegenwärtig vier primäre Uhren. Die genauesten Uhren sind die beiden Caesium-Fontänenuhren CSF1 und CSF2. Mit 67% Wahrscheinlichkeit weichen die mit ihnen erzeugten Sekunden um weniger als ±2·10‑16 s von idealen SI-Sekunden ab. Das heißt, dass die Fontänenuhren von einer idealen Uhr nur um 20 Pikosekunden pro Tag abweichen können oder, anders ausgedrückt, um eine Sekunde in 130 Millionen Jahren. Die primären Atomuhren  CS1 und CS2 mit thermischem Atomstrahl waren lange Jahre bis in die 90er Jahre die weltweit genauesten Uhren und weisen eine Ganggenauigkeit von etwa einer Sekunde in 3 Millionen Jahren auf.